Общие принципы построения современных ЭВМ

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В его основе лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.

В соответствии со стандартом ISO 2382/1-84 г., "алгоритм – конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количество операций". "Программа для ЭВМ – упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке". Следует отметить, что строгого, однозначного определения алгоритма, равно как и однозначных методов его преобразования в программу вычислений, не существует. Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем.

Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов – команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, местонахождение (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды – переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.

Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов. Информация (командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами "0" и "1". Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, практически не различимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.

Каждый тип информации имеет свои форматы – структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами "0" и "1". Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, то есть состоят из целого числа байтов.

Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, представлена полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, значащие разряды чисел, старшие и младшие разряды.

Последовательность, состоящая из определенного, принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет 4 байта, для ПЭВМ – 2 байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис. 5.1.

Исходные данные Результаты

Рис. 5.1. Структурная схема ЭВМ первого поколения

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Сначала введенная информация частично или полностью запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект – файл. Файл – это имеющий имя информационный массив (программа, данные, текст и т.п.), размещенный во внешней памяти и рассматриваемый как неделимый объект при пересылках и обработке.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического управления программ путем принудительной координации работы всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 5.1 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются УУ: определяются код операции, которую необходимо выполнить, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Отдельные признаки результатов (результат = 0, результат < 0, результат > 0 и др.) УУ использует для изменения порядка выполнения команд программы. Результаты, полученные после выполнения все программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (от 170 до 230 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда – это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, "жесткое" построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволило в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но значительно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ 3-го поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки.

УВВ   УВВ         ОЗУ     АЛУ КВВ ….     ….. ВЗУ ВЗУ

Рис. 5.2. Структурная схема ЭВМ 3-го поколения

Сильно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор. В структуре ЭВМ появились дополнительные устройства, которые стали называться: процессоры ввода-вывода, устройства управления обмена информацией, каналы ввода-вывода (КВВ). Последние получили наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция в децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, обслуживающие в монопольных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).